[发明专利]酶结构、活性和/或表达水平的调节

说明书

发明领域

本发明涉及治疗和诊断组合物，尤其是药物组合物及其使用方法，其表现为选择性摄入至包括肿瘤细胞的特征为过度增殖的细胞，且其调节酶的结构、活性和/或表达水平，从而有利于破坏这些细胞，尤其靶向与绝大数癌症相关的改变的线粒体丙酮酸脱氢酶(PDH)复合物。

发明背景

绝大多数快速生长的肿瘤细胞与未转化细胞相比，出现遗传学、生物化学和组织学的巨大差异，包括与来源组织相比显著改变的能量代谢。肿瘤细胞中最臭名昭著和最著名的能量代谢改变是一种被称为Warburg效应的现象，即使在高O₂浓度存在下仍然出现糖酵解能力的增加。

Warburg最早指出，肿瘤细胞糖酵解增强的驱动力是线粒体功能不可逆损伤所致的能量缺乏，其中类似于无氧的肌肉，葡萄糖经糖酵解转化为乳酸，乳酸随后被分泌。已指出，肿瘤细胞这种糖酵解流量的增加是低O₂浓度的环境下，如产氧很少的实体瘤观察到的部分缺氧，为保证存活和生长的代谢策略。尤其，由于很多含氧低的人肿瘤的O₂浓度低于20μM，因此其中氧化磷酸化是有限的。于是，糖酵解就似乎成为实体瘤(如生长缓慢的黑色素瘤和乳腺癌)主要的能量途径。

在快速生长的肿瘤细胞中已经证实细胞增殖速率与ATP供应速率成比例关系。一些学者曾指出糖酵解活性与肿瘤恶性程度相关，因此，高度去分化和快速生长的肿瘤比生长缓慢的肿瘤或正常细胞的糖酵解速率更高。事实上，乳酸的高水平已成为恶性的预测物。

如图1所示，许多年以来，仅由于三羧酸循环(TCA)在生成ATP作为生物体能量来源中的作用，TCA被认为仅在生物学上具有重要意义。然而，近期研究已显示TCA循环活性也影响包括决定细胞生长和凋亡的信号转导途径的功能，并且相关的糖酵解和TCA循环酶能被上调或下调。肿瘤的进展也与糖酵解酶己糖激酶和磷酸果糖激酶(PFK)1的活性直接相关，这两种酶在快速生长的肿瘤细胞中显著增加。据此推断，存在氧化能力缺陷的肿瘤细胞的恶性程度高于氧化磷酸化活跃的肿瘤细胞。因此，无论在低氧还是有氧状态下，肿癌组织对糖酵解的依赖与增加的恶性相关。

PDH复合物中硫辛酸的作用已被深入研究。PDH复合物有3个中心亚基：E1、E2、E3(分别是丙酮酸脱氢酶、二氢硫辛酸转乙酰基酶、二氢硫辛酰胺脱氢酶)。这些复合物具有中心的E2核心，其他亚基围绕该核心构成PDH复合物。亚基两两间的空隙中，活性位点由硫辛酰结构域过渡连接。硫辛酰结构域自身是由柔性接头连接至E2核心。在丙酮酸和焦磷酸硫胺反应生成硫代半缩醛后，该阴离子攻击连接于赖氨酸残基的被氧化的硫辛酸类的S1。因此，硫辛酸S2被硫化物或巯基部分所替代，接着四面体硫代半缩醛分解产生噻唑，释放TPP因子，并在硫辛酸S1上生成硫代乙酸根。在此时，硫辛酸-硫酯官能团易位于E2活性位点，在此，转酰基反应将乙酰基从硫辛酸的“摇臂”转移到辅酶A的硫醇基。这生成了乙酰辅酶A，乙酰辅酶A从酶复合物释放并随后进入TCA循环。仍然结合于复合物赖氨酸残基的二氢硫辛酸随后移至E3活性位点，并在此经由黄素介导的氧化作用返回至它的硫辛酸静止状态，生成FADH₂(最终是NADH)，然后重新生成硫辛酸，返回至有活性的酰基受体。如果，这种硫辛酸类被打断，便不会出现流向FADH₂的电子流也不会生成乙酰辅酶A，导致细胞内丙酮酸的毒性累积。

线粒体内PDH复合物的活性被多种变构效应物和共价修饰高度调节。PDH的磷酸化状态调节PDH的活性，在去磷酸化状态时最有活性。PDH的磷酸化是由PDH激酶(PDK)催化的。在ATP、NADH和乙酰辅酶A水平增高时，PDK活性增加。PDK的负效应物是ADP、NAD+、CoA-SH和丙酮酸，当ATP水平下降时，它们的水平升高。PDH磷酸酶(PDP)通过脱磷酸作用激活PDH，虽然PDP的调节未完全明确，但已知Mg⁺²、Ca⁺²激活PDP。

复合物的两个产物NADH和乙酰辅酶A是PDH-a(PDH的去磷酸化活性形式)的负变构效应物。这些效应物降低酶对丙酮酸的亲和力，因此限制经过PDH复合物的碳流。另外，NADH和乙酰辅酶A还是PDK强有力的正效应物，PDK是通过将PDH转变为磷酸化的PDH-b形式而使PDH失活的酶。由于当细胞能荷高时NADH和乙酰辅酶A累积，毫不奇怪的是，高ATP水平也上调PDK的活性，这加强了能量富集细胞PDH活性的下调。然而，由于丙酮酸是PDK强大的负效应物，当丙酮酸水平升高时，即使NADH和乙酰辅酶A水平较高，PDH-a也是占优势的。